CN102539530B - 基于时间反转聚焦的水声无源材料回声降低/反射系数测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时反聚焦的水声无源材料回声降低/反射系数测量方法包括以下步骤：1)生成时反发射信号；2)有测试样品时聚焦信号采集：发射-接收阵(SRA)发射由1)生成的时反发射信号，则根据时反原理，发射信号在测试样品附近的发射-接收换能器处产生空时聚焦，该聚焦信号为原发射信号的时间反转形式，此时发射-接收换能器处的换能器作为水听器记录有测试样品时的聚焦信号p_r+i+ri+rir；3)无测试样品时聚焦信号采集；4)回声降低/反射系数计算：利用反射系数/回声降低的计算公式可获得所需的试样参数计算结果；5)回声降低修正测量结果的修正。本发明对于中低频段回声降低/反射系数的测量可有效减少误差、提高精度，因此适用于全频段测量。

Description

基于时间反转聚焦的水声无源材料回声降低/反射系数测量方法

技术领域

本发明涉及一种水下声学材料回声降低/反射系数的测量方法。水下声学材料构件是水声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，为评估材料的吸声性能，需开展对相关吸声参数的测试。水声无源材料的声学性能测量包括插入损失/透射系数、回声降低/反射系数等参数的测量。

背景技术

水下声学材料构件是水声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，不同的应用背景对材料声学性能有特殊的要求。随着材料科学的进步，粘弹性高分子材料等高性能吸声新材料在隔声减振、吸声降噪等水声工程领域的应用日益广泛。因而，对该类材料在水声使用环境中的声学性能研究和声学参数测量是迫切需要解决的问题。水声无源材料的声学性能测量包括插入损失(透射系数)、回声降低(反射系数)、吸声系数等参数的测量。目前水声无源材料的声学性能测量已经取得了重要进展，尤其在中高频声学性能测量方面，实验测量值与理论值之间的误差可做到10％以下。但随着水声对抗技术的发展，工作频率逐渐向低频扩展，低频(百赫兹～几千赫兹)情况下的声学材料研究是目前水声学研究的重要趋势之一，而实现日趋重要的材料性能低频段精确测试通常需要更大规模的测试容器和相关设备。目前常用的测量方法有基于声管的小样品测试法，如脉冲管法、驻波管法、传递函数法等，以及基于消声水池/压力容器的大样测试方法，如压缩脉冲叠加法、参量源法、声全息法等。小样测试通常不能反映材料的整体声学性能，而大洋测试往往由于测试环境对低频声波的吸声性能有限，不能完全消除多径对实验测量的影响，导致测量误差增大。并且，由于发射声波主瓣宽度随频率的降低而逐渐增大，即主瓣分辨力逐渐降低，因此在低频条件下，由于待测试样尺寸有限导致的边界效应亦会对测试结果造成严重影响，使现有技术的测量误差大大增加。

发明内容

为了克服现有水声无源材料声学性能测量技术在中低频段测试中测量误差大、测量精度低的不足，本发明提供一种有效减少测量误差、提高测量精度的基于时间反转聚焦的水声无源材料回声降低/反射系数测量方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于时反聚焦的水声无源材料回声降低/反射系数测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

1)生成时反发射信号；

2)有测试样品时聚焦信号采集：发射-接收阵(SRA)接收信号后，对其进行幅度归一化、功率控制及时间反转，并由SRA进行发射，则根据时反原理，发射信号在发射-接收换能器处产生空时聚焦，该聚焦信号为原发射信号的时间反转形式，此时发射-接收换能器处的换能器作为水听器记录有测试样品时的聚焦信号p_r+i+ri+rir；

3)无测试样品时聚焦信号采集：将试样从测试环境中取出，再次由SRA发射步骤2)中的时反发射信号，则信号仍会在发射-接收换能器处实现空时聚焦，此时，由于试样取出，该聚焦信号不包括样品反射信号，设该聚焦信号为p_i+ri；

4)回声降低/反射系数计算：利用反射系数/回声降低的计算公式可获得所需的试样参数计算结果，其计算公式如下所示：

反射系数： $r_p=\frac{p_{r+i+\mathrm{ri}+\mathrm{rir}}-p_{i+\mathrm{ri}}}{p_{i+\mathrm{ri}}},$

回声降低：E_r＝-20log|r_p|.

其中，r_p表示反射系数，E_r表示回升降低值。

进一步，所述测量方法还包括以下步骤：

5)回声降低修正：

反射聚焦信号p_r+i+ri+rir包含直达信号p_i及界面反射信号的p_ri、试样反射信号p_r以及界面反射波再经试样反射后回波p_rir，设界面两次及以上弹跳信号微弱，根据自由场反射系数计算公式，试样反射信号p_r也可以表示为 为自由场条件下有限试样反射系数，2d为试样与聚焦点处双程传播损失；p_rir可表示为其中为试样小角度情况下试样自由场反射系数，r_q为界面反射系数，p_s为发射信号，D为传播距离；则由测量数据计算所得的反射系数可表示为

$r_p=\frac{p_{r+i+\mathrm{ri}+\mathrm{rir}}-p_{i+\mathrm{ri}}}{p_{i+\mathrm{ri}}}$

$=\frac{[p_i+p_{\mathrm{ri}}+r_p^s{p}_i/\left(2d\right)+r_p^{\′s}{r}_q{p}_s/D]-[p_i+p_{\mathrm{ri}}]}{p_i+p_{\mathrm{ri}}}$

试样多径反射系数近似等于法向反射系数则

$r_p\≈\frac{r_p^s{p}_i^s+r_p^s{r}_q{p}_{s}2d/D}{(p_i^s+p_{\mathrm{ri}})2d}=\frac{1}{q}{r}_p^s\≠r_p^s,$

其中

$q=\frac{(p_i+p_{\mathrm{ri}})2d}{p_i+r_q{p}_{s}2d/D}.$

从上式可知，利用时反聚焦法测量所得的反射系数r_p与自由场条件测量所得的试样反射系数不相等在测试环境不变的情况下，q为一常量；

首先，利用参考试样进行试验，获得与试样属性无关的修正因子q，然后利用该因子修正待测试样测量值r_p，即

$r_p^s={\mathrm{qr}}_p.$

根据反射系数与回声降低的关系，推得修正后的回声降低为：

$E_r^s=-20\log \left|r_p\right|-20\log \left|q\right|,$

$=E_r-20\log \left|q\right|$

其中E_r由步骤4)通过试验数据计算得到。

更进一步，所述步骤1)中，生成时反发射信号的过程如下：首先，根据所需测量的频率范围，由测量系统生成发射信号，然后，将发射-接收换能器及待测试样放入测试环境，两者在距离上靠近，发射-接收换能器既作为时反用探查声源(PS)，又可作为水听器接收直达信号及材料透射信号，利用该换能器发射测量信号；同时，测量所用的发射-接收阵记录经测试环境传播的信号。

本发明的技术构思为：时反原理基于波动方程解的时反不变性和收发互易性，将某一位置(A)处声源发射的信号在另一个位置(B)处用一收发合置阵接收，然后时间反转或频域共轭后，仍由B处的收发合置阵发射，即先到后发，后到先发，则在A处可实现空间上的位置聚焦，并且时间上压缩为原始发射信号的时间反转形式。由于在时不变声场中，波动方程解的时反不变性和收发互易性成立，因此时反聚焦是时不变场的固有特性。时反聚焦技术可对测试环境边界造成的多径声波进行补偿，其发射信号空间聚焦主瓣较基于平面波波束形成(直达波单路径)的常规阵发射窄，因此在测量反射系数/回声降低时，可减小测试样品边界回波对测量结果的影响，焦点的高分辨率可减小样品物理尺寸，降低对测试环境空间大小的要求。同时，时反的时间域聚焦特性使接收信号压缩成原发射信号的时间反转形式，把本属于混响的干扰同相位叠加于直达入射波，成为可用信号，从而大幅提高测量信混比，改善回声降低的测量精度。因此，在中低频无源材料回声降低的测量中，时反聚焦技术可解决现有技术面临的强混响干扰及低主瓣分辨率等问题。

首先在待测试样品附近放置一发射-接收换能器(既可作时反用PS，又可作为接收用水听器)，SRA通过接收PS信号，生成时反发射信号，根据时间反转原理，该发射信号经SRA发射后可在PS处实现入射信号的空时聚焦，从而降低混响对测量信号的影响，提高入射信号强度。同时，空间聚焦也可增加试样处入射信号的空间分辨率。

与现有的无源材料回声降低/反射系数测量方法相比，本发明的技术优势主要表现在：

1)基于空间互易性的时反聚焦导致混响极低，可大幅降低对测量信号的干扰，同时，聚焦使本属于混响干扰的界面散射同相叠加于直达波信号，从而使测量信号增强。因此，本发明可解决中低频条件下，无源材料回声降低测量中的强混响问题。

2)根据波导理论，由于多路径效应，时反聚焦的焦点(主瓣)远低于自由场平面波情况下的波束宽度。具有高分辨能力的焦点入射到测试样品，可大幅减少声波边界效应对测量结果的影响，同时亦可增加测量参数的空间分辨率，降低对试样尺寸及测试空间的要求。

3)由于时反聚焦原理在非均匀介质环境下同样成立，因此，可消除测试环境水体内部机构对测量信号的影响。

附图说明

图1是发射-接收换能器发射信号时，各测量装置布放示意图。

图2是发射-接收阵(SRA)发射时反信号时，有测试样品情况下各测量装置布放及声传播路径示意图。

图3是发射-接收阵发射时反信号时，无测试样品情况下各测量装置布放及声传播路径示意图。

图4是铝板试样回声降低理论值及水池试验测量结果图。

图5是钢板试样回声降低理论值及水池试验测量结果图。

图6是铝板及钢板试样回声降低测量结果的扩展不确定度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种基于时反聚焦的水声无源材料回声降低测量方法，用于水下声学构件材料吸声性能测试。整套测量方法的技术方案如下：

1)时反发射信号生成

首先，根据所需测量的频率范围，由测量系统生成发射信号，如宽带线性调频信号或窄带的脉冲余弦信号。然后，将发射-接收换能器及待测试样放入测试环境(水池/压力容器)，两者在距离上尽量靠近，如图1所示，发射-接收换能器既可作为时反用PS，又可作为水听器接收直达信号及材料透射信号(亦可放置一发射换能器作为PS，当同一位置需接收信号时，再替换成接收水听器)，利用该换能器发射测量信号。同时，测量所用的发射-接收阵(SRA)记录经测试环境传播的信号，并对其进行幅度归一化、功率控制及时间反转，得到时反发射信号。

2)有测试样品时聚焦信号采集

如图2所示，SRA发射由1)产生得到的时反发射信号，则根据时反原理，发射信号在PS处(即发射-接收换能器处)产生空时聚焦，该聚焦信号为原发射信号的时间反转形式，此时PS处换能器作为水听器记录有测试样品时的聚焦信号p_r+i+ri+rir，该信号包含直达信号p_i、反射信号p_r、界面反射信号p_ri以及界面反射波再经试样反射后回波p_rir(设界面2次以上弹跳信号微弱，可忽略)；

3)无测试样品时聚焦信号采集

将试样从测试环境中取出，如图3所示，再次由SRA发射步骤1)中的时反发射信号，则信号仍会在发射-接收换能器处实现空时聚焦，此时，由于试样取出，该聚焦信号不包括样品反射信号，设该聚焦信号为p_i+ri。

4)回声降低计算

通过以上三个步骤可将测量数据采集完毕，从2)及3)步骤中可以看出，两次采集数据的差异是有无包含试样反射回波。利用反射系数/回声降低的计算公式可获得所需的试样参数计算结果。其计算公式如下所示：

反射系数： $r_p=\frac{p_{r+i+\mathrm{ri}+\mathrm{rir}}-p_{i+\mathrm{ri}}}{p_{i+\mathrm{ri}}},$

回声降低：E_r＝-20log|r_p|.

5)回声降低修正

由于界面反射的存在，需对上述回声降低测量结果进行修正。如图3所示，反射聚焦信号p_r+i+ri+rir包含直达信号p_i及界面反射信号的p_ri(两者相加为无试样时聚焦信号p_i+ri)、试样反射信号P_r以及界面反射波再经试样反射后回波p_rir，设界面两次及以上弹跳信号微弱，可忽略。根据自由场反射系数计算公式，试样反射信号p_r也可以表示为 为自由场条件下有限试样反射系数，2d为试样与聚焦点处双程传播损失；p_rir可表示为其中为试样小角度情况下试样自由场反射系数，r_q为界面反射系数，p_s为发射信号，D为传播距离。则由测量数据计算所得的反射系数可表示为

$r_p=\frac{p_{r+i+\mathrm{ri}+\mathrm{rir}}-p_{i+\mathrm{ri}}}{p_{i+\mathrm{ri}}}$

$=\frac{[p_i+p_{\mathrm{ri}}+r_p^s{p}_i/\left(2d\right)+r_p^{\′s}{r}_q{p}_s/D]-[p_i+p_{\mathrm{ri}}]}{p_i+p_{\mathrm{ri}}}$

若小角度近似成立(发射阵与试样距离较远，该条件较易满足)，即试样多径反射系数近似等于法向反射系数则

$r_p\≈\frac{r_p^s{p}_i^s+r_p^s{r}_q{p}_{s}2d/D}{(p_i^s+p_{\mathrm{ri}})2d}=\frac{1}{q}{r}_p^s\≠r_p^s,$

其中

$q=\frac{(p_i+p_{\mathrm{ri}})2d}{p_i+r_q{p}_{s}2d/D}.$

从上式可知，利用时反聚焦法测量所得的反射系数r_p与自由场条件测量所得的试样反射系数不相等。而因子q中各变量均与试样属性无关，只与声场环境有关，即在测试环境不变的情况下，q为一常量，因此可通过系数q对试样测量结果r_p进行修正。具体修正方法为首先利用参考试样进行试验，获得与试样属性无关的修正因子q，然后利用该因子修正待测试样测量值r_p，即

$r_p^s={\mathrm{qr}}_p.$

从而使时反聚焦法测量所得的反射系数与自由场条件测量值/理论值相一致。根据反射系数与回声降低的关系，可推得修正后的回声降低为

$E_r^s=-20\log \left|r_p\right|-20\log \left|q\right|,$

$=E_r-20\log \left|q\right|$

其中E_r由步骤4)通过试验数据计算得到。

实例说明：为验证本发明在无源材料回声降低/反射系数测量中的有效性，开展了水池试验验证。实验室水池长约8m，宽4m，水深1.6m，波导四面贴有吸声材料，底部铺有0.25m的细沙。实验中SRA与测试样品相距7m，其中SRA为直径为1.5m，三个阵元均匀分布的圆环阵。测试试样之一为铝板，其几何尺寸为1.1m×1.0m×5mm，密度为2.97×10³kg/m³，铝板声速5380m/s。测试试样之二为钢板，尺寸与铝板相同，密度为7.84×10³kg/m³，声速5470m/s。该试验开展了0.5kHz-20kHz频率的回声降低数据采集和处理。图4显示的是铝板试样回声降低理论及试验结果比较图，由于其低频段处回波趋近于0，因此测量频率范围为3kHz-20kHz，由图可知，即使在多径现象非常严重的水池波导条件下，基于时反聚焦的试样回声降低测量方法所得的测量结果基本与平面波理论计算值相一致，除极个别频点外，各测量频点对应的相对误差均小于10％。图5显示的是5mm钢板试样回声降低理论及试验结果比较图，增加了低频段(0.5kHz-3kH)处回声降低的测量，经计算各测量频点对应的相对误差均小于10％。图6显示的是铝板及钢板试样试验测量所得回声降低的扩展不确定度分析，由图可知，各试样扩展不确定度均小于2dB。

Claims (2)

1.一种基于时反聚焦的水声无源材料回声降低/反射系数测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：

1)生成时反发射信号；

2)有试样时聚焦信号采集：SRA接收时反发射信号后，对其进行幅度归一化、功率控制及时间反转，并由SRA进行发射，则根据时反原理，时反发射信号在发射－接收换能器处产生空时聚焦，该聚焦信号为原发射信号的时间反转形式，此时发射－接收换能器作为水听器记录有试样时的聚焦信号p_r+i+ri+rir；

3)无试样时聚焦信号采集：将试样从测试环境中取出，再次由SRA发射步骤2)中的时反发射信号，则时反发射信号仍会在发射－接收换能器处实现空时聚焦，此时，由于试样取出，该聚焦信号不包括试样反射信号，设该聚焦信号为p_i+ri，所述的SRA为发射-接收阵；

4)回声降低/反射系数计算：利用反射系数/回声降低的计算公式可获得所需的试样参数计算结果，其计算公式如下所示：

反射系数： $r_p=\frac{p_{r+i+\mathrm{ri}+\mathrm{rir}}-p_{i+\mathrm{ri}}}{p_{i+\mathrm{ri}}},$

回声降低：E_r＝-20log|r_p|

其中，r_p表示反射系数，E_r表示回升降低值；

5)回声降低修正：

反射聚焦信号p_r+i+ri+rir包含直达信号p_i及界面反射信号的p_ri、试样反射信号p_r以及界面反射波再经试样反射后回波p_rir，设界面两次及以上弹跳信号微弱，根据自由场反射系数计算公式，试样反射信号p_r也能够表示为，为自由场条件下有限试样反射系数，2d为试样与聚焦点处双程传播损失；p_rir能够表示为，其中为试样小角度情况下试样自由场反射系数，r_q为界面反射系数，p_s为发射信号，D为传播距离；则由测量数据计算所得的反射系数表示为

$\begin{array}{c}{r}_p=\frac{p_{r+i+\mathrm{ri}+\mathrm{rir}}-p_{i+\mathrm{ri}}}{P_{i+\mathrm{ri}}}\\ =\frac{[p_i+p_{\mathrm{ri}}+r_P^s{p}_i/\left(2d\right)+r_p^{\′s}{r}_q{p}_s/D]-[p_i+p_{\mathrm{ri}}]}{p_i+p_{\mathrm{ri}}}\end{array}$

试样多径反射系数近似等于法向反射系数则

$r_p\≈\frac{r_p^s{p}_i^s+r_p^s{r}_q{p}_{s}2d/D}{(p_i^s+p_{\mathrm{ri}})2d}=\frac{1}{q}{r}_p^s\≠r_p^s,$

其中

$q=\frac{(p_i+p_{\mathrm{ri}})2d}{p_i+r_{q}2d/D}$

利用时反聚焦法测量所得的反射系数r_p与自由场条件测量所得的试样反射系数不相等在测试环境不变的情况下，q为一常量；

首先，利用参考试样进行试验，获得与试样属性无关的修正因子q，然后利用该因子修正待测试样测量值r_p，即

$r_p^s=q{r}_p$

根据反射系数与回声降低的关系，推得修正后的回声降低为：

$\begin{array}{c}{E}_r^s=-20\log \left|r_p\right|-20\log \left|q\right|\\ =E_r-20\log \left|q\right|\end{array},$

其中E_r由步骤4)通过试验数据计算得到。

2.如权利要求1所述的基于时反聚焦的水声无源材料回声降低/反射系数测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，生成时反发射信号的过程如下：首先，根据所需测量的频率范围，由测量系统生成发射信号，然后，将发射－接收换能器及待测试样放入测试环境，两者在距离上靠近，发射－接收换能器既作为时反用PS，又可作为水听器接收直达信号及材料透射信号，利用该换能器发射测量信号；同时，测量所用的发射－接收阵记录经测试环境传播的信号。